DE3607345A1 - MAGNETO-OPTICAL LIGHT SWITCHING ELEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
MAGNETO-OPTICAL LIGHT SWITCHING ELEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOFInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein magneto-optisches Lichtschaltelement mit aus einer auf einem magnetisch nicht geordneten, optisch transparenten, in (111)-Richtung orientierten Granatsubstrat angebrachten epitaxialen Schicht auf Basis von Wismut-substituiertem Seltenerdmetall-Eisen-Granat gebildeten Inseln, mit auf den Inseln angebrachten integrierten Heizwiderständen und mit einer, die Inseln umschließenden Spule, wobei die epitaxiale Schicht aus einer Schmelze gezüchtet ist, die als Flußmittel Bleioxid und Boroxid enthält.The invention relates to a magneto-optical light switching element with from a magnetically unordered on a optically transparent, oriented in the (111) direction Garnet substrate attached epitaxial layer based of bismuth-substituted rare earth iron garnet formed islands, with integrated integrated on the islands Heating resistors and with one that encloses the islands Coil, the epitaxial layer consisting of a Melt is grown, which as a flux and lead oxide Contains boron oxide.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen magneto-optischen Lichtschaltelementes sowie seine Verwendung.The invention further relates to a method of manufacture of such a magneto-optical light switching element as well as its use.
Die Verarbeitung von Texten, Graphiken und Bildern wird in steigendem Maße mit Hilfe der elektronischen Datenverarbeitung durchgeführt. Zur Ausgabe der Information sind schnelle hoch auflösende Drucker wie z. B. elektrophotographische Drucker bekannt mit optischen Druckköpfen. The processing of texts, graphics and pictures is in increasingly with the help of electronic data processing carried out. To output the information are fast high resolution printers such as B. electrophotographic Printers known with optical printheads.
Aus der Technischen Information 84 07 16 der Firma Valvo ist ein magneto-optisches Lichtschaltmodul bekannt, das sich gut zum Aufbau derartiger kompakter optischer Druckköpfe mit hoher Auflösung eignet.From technical information 84 07 16 from Valvo a magneto-optical light switch module is known that are good for building such compact optical printheads with high resolution.
Die bekannten Module enthalten eine Reihe punktförmiger Lichtschaltelemente, die, voneinander unabhängig, auf thermomagnetischem Weg zwischen einem lichtdurchlässigen und einem lichtundurchlässigen Zustand hin- und hergeschaltet werden können.The known modules contain a number of punctiform ones Light switching elements that, independently of each other, on thermomagnetic path between a translucent and switched back and forth in an opaque state can be.
Bei der Herstellung der Lichtschaltelemente wird von einem in (111)-Richtung orientiertem einkristallinen Substrat aus substituiertem Gadolinium-Gallium-Granat ausgegangen. Auf dieses Substrat wird durch Epitaxie eine Schicht aus Wismut-substituiertem Seltenerdmetall-Eisen-Granat der qualitativen Zusammensetzung (Gd,Bi)3(Fe,Ga,Al)5O12 aufgebracht. Derartige Schichten und Substrate sind aus J. Cryst. Growth 64 (1983), Seiten 275 bis 284 bekannt. Um einzelne Lichtschaltelemente zu erhalten, wird der größte Teil der zunächst das gesamte Substrat bedeckenden magneto- optischen Schicht mit Hilfe eines photolithographischen Masken-Ätzprozesses entfernt, so daß nur einzelne Inseln übrig bleiben. Jede Insel bildet die Basis für ein Lichtschaltelement. Der Zwischenraum zwischen den Lichtschaltelementen wird durch einen weiteren Maskenprozeß mit einer lichtundurchlässigen Schicht bedeckt. Licht kann damit nur durch die Lichtschaltelemente hindurchtreten. Während nun das Substrat magnetisch nicht geordnet und optisch inaktiv ist, weist die magneto-optische Schicht eine spontane Magnetisierung auf, welche sich aufgrund der nicht statistischen Verteilung der Wismutionen im Kristallgitter immer senkrecht zur Schichtfläche ausrichtet, also nur zwei Richtungen einnehmen kann: entweder parallel oder antiparallel zur Schichtnormalen.In the manufacture of the light switching elements, a single-crystal substrate made of substituted gadolinium-gallium-garnet oriented in the (111) direction is assumed. A layer of bismuth-substituted rare earth metal iron garnet of the qualitative composition (Gd, Bi) 3 (Fe, Ga, Al) 5 O 12 is applied to this substrate by epitaxy. Such layers and substrates are from J. Cryst. Growth 64 (1983), pages 275 to 284. In order to obtain individual light switching elements, the majority of the magneto-optical layer initially covering the entire substrate is removed with the aid of a photolithographic mask etching process, so that only individual islands remain. Each island forms the basis for a light switching element. The space between the light switching elements is covered with an opaque layer by a further mask process. Light can only pass through the light switching elements. While the substrate is now not magnetically ordered and optically inactive, the magneto-optical layer exhibits spontaneous magnetization, which due to the non-statistical distribution of the bismuths in the crystal lattice is always oriented perpendicular to the layer surface, i.e. can only take two directions: either parallel or antiparallel to the layer normal.
Fällt durch diese Schicht linear polarisiertes Licht, wird, in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung, die Schwingungsebene dieses Lichtes im oder entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht infolge des Faradayeffektes. Diese Drehung der Schwingungsebene wird durch eine Polarisationsoptik in eine Helligkeitsmodulation des Lichtes überführt. Dazu ist die Schicht zwischen zwei polarisierenden Folien angeordnet, also Folien, die nur Licht einer bestimmten Schwingungsebene hindurchlassen. Die erste Folie (Polarisator) dient zur Ausfilterung von linear polarisiertem Licht aus dem einfallenden Licht und die zweite Folie (Analysator) zur Blockierung des Lichtes einer der Schwingungsebenen am Ausgang. Licht mit der zur anderen Magnetisierungsrichtung gehörenden Schwingungsebene wird entsprechend durch die Lichtschaltelemente hindurchgelassen.If linearly polarized light falls through this layer, is, depending on the direction of magnetization, the Vibration level of this light clockwise or counterclockwise rotated due to the Faraday effect. This rotation the plane of vibration is through polarization optics converted into a brightness modulation of the light. To do this, the layer is between two polarizing foils arranged, i.e. foils that only light a certain Let the vibration level through. The first film (polarizer) is used to filter out linearly polarized Light from the incident light and the second slide (Analyzer) for blocking the light of one of the vibration levels at the exit. Light with the other direction of magnetization belonging vibration level will be accordingly let through the light switching elements.
Ein Umschalten der Magnetisierungsrichtung führt damit zu einem Übergang von dem lichtundurchlässigen Zustand zum lichtdurchlässigen oder umgekehrt.Switching the direction of magnetization leads to a transition from the opaque state for translucent or vice versa.
Innerhalb eines Lichtschaltelementes stellt sich stets eine einheitliche Magnetisierungsrichtung ein, solange die Abmessungen des Lichtschaltelementes eine kritische Größe von etwa 500 µm nicht überschreiten, bei Lichtschaltelementabmessungen im Bereich von etwa 100 µm, wie sie für Druckkopfanwendungen benutzt werden, ist die Richtung der Magnetisierung außerordentlich stabil.There is always one within a light switching element uniform direction of magnetization as long as the Dimensions of the light switching element a critical size of about 500 µm, with light switch element dimensions in the range of about 100 µm, as for Printhead applications are used Direction of magnetization extremely stable.
Andererseits ist die Richtungsstabilität der Magnetisierung temperaturabhängig, bei Temperaturen über 150°C sinkt sie stark ab. Dieser Effekt wird zum Schalten ausgenutzt. In einer Ecke jedes Lichtschaltelementes wird dazu ein Widerstandselement in Dünnfilmtechnik aufgebracht und über ein Leiterbahnnetzwerk mit einer Treiberelektronik verbunden. Außerdem wird eine Spule aus einer einfachen Drahtwindung so angeordnet, daß sie alle Lichtschaltelemente einer Lichtschaltzeile umschließt. Zum Schalten eines Lichtschaltelementes wird über den Widerstand ein Stromimpuls von typischerweise 15 µs Dauer geführt. Im Bereich dieses Widerstandselementes (Heizelement) steigt dadurch die Temperatur auf über 150°C an, so daß die Stabilität der Magnetisierung im Material unterhalb des Widerstandselementes stark absinkt. Mit der Spule wird dann ein Magnetfeld von etwa 20 ka/m für eine Dauer von etwa 10 µs eingeschaltet. Unter der Wirkung dieses Feldes richtet sich die Magnetisierung im aufgeheizten Bereich nach dem äußeren Magnetfeld aus. Damit ist ein "Keim" für eine neue magnetische Domäne gebildet. Diese bläht sich unter der Wirkung des noch für einige Mikrosekunden eingeschalteten Magnetfeldes auf, bis sie das gesamte Lichtschaltelement überdeckt und damit wieder einheitlich magnetisiert. On the other hand, the directional stability of the magnetization temperature-dependent, drops at temperatures above 150 ° C them off strongly. This effect is used for switching. In one corner of each light switch element there is a Resistor element applied in thin film technology and over a conductor network connected to driver electronics. It also turns a coil from a simple wire winding arranged so that they all light switching elements encloses a light switch line. To switch one Light switching element is a current pulse via the resistor of typically 15 µs duration. In the area this resistance element (heating element) rises the temperature to over 150 ° C, so that the stability the magnetization in the material below the resistance element drops sharply. The coil then becomes a magnetic field of about 20 ka / m for a duration of about 10 µs switched on. Judged under the effect of this field the magnetization in the heated area after external magnetic field. This is a "seed" for a new one magnetic domain formed. This puffs up under the Effect of switched on for a few microseconds Magnetic field until it covers the entire light switching element covered and thus magnetized again uniformly.
Für die Funktion eines derartigen Lichtschaltelementes ist neben der Größe der Faradaydrehung, der Kompensationstemperatur und der Gitterkonstante der epitaxialen Schicht die sogenannte uniaxiale magnetische Anisotropie K u des Schichtmaterials von ausschlaggebender Bedeutung. In (111)-Richtung gewachsene Epitaxieschichten von Wismutsubstituiertem Yttrium- oder Gadolinium-Eisen-Granat weisen erfahrungsgemäß eine starke positive wachstumsinduzierte Anisotropie K u auf, deren Größe bei Schichten, die aus einer gegebenen Schmelze abgeschieden wurden, mit dem Wismutgehalt zunimmt. Positive Werte für die Anisotropie K u sorgen dafür, daß der Magnetisierungsvektor senkrecht zur Schichtebene ausgerichtet ist, wie es für die Funktion des beschriebenen Lichtschaltelementes erforderlich ist. Andererseits muß beim thermomagnetischen Schaltprozeß die Kraft, die die Magnetisierung an ihre Vorzugsrichtung bindet, durch ein äußeres Magnetfeld überwunden werden. Dieses sogenannte Magnetschaltfeld ist bei dem bisher für die Herstellung der bekannten Lichtschaltelemente benutzten Material so groß, daß es nur von einer in Hybridtechnik um die magneto-optischen Inseln herumgeführten Drahtspule, nicht jedoch von einer integrierten Spule erzeugt werden kann wegen ihres zu geringen Querschnittes und der damit verbundenen erhöhten Stromdichte.In addition to the size of the Faraday rotation, the compensation temperature and the lattice constant of the epitaxial layer, the so-called uniaxial magnetic anisotropy K u of the layer material is of crucial importance for the function of such a light switching element. Experience has shown that epitaxial layers of bismuth-substituted yttrium or gadolinium iron garnet grown in the (111) direction have a strong positive growth-induced anisotropy K u , the size of which increases with layers of bismuth which have been deposited from a given melt. Positive values for the anisotropy K u ensure that the magnetization vector is oriented perpendicular to the layer plane, as is necessary for the function of the light switching element described. On the other hand, in the thermomagnetic switching process, the force that binds the magnetization to its preferred direction must be overcome by an external magnetic field. This so-called magnetic switching field is so large in the material previously used for the production of the known light switching elements that it can only be produced by a wire coil guided around the magneto-optical islands in hybrid technology, but not by an integrated coil because of its too small cross section and the associated increased current density.
Durch den gesonderten Arbeitsgang zur Herstellung der Spule werden magneto-optische Lichtschaltelemente teuer in der Herstellung und die Ansteuerelektronik zur Erzeugung der erforderlichen hohen Ströme ist relativ aufwendig. Ein weiterer Nachteil der Verwendung einer gesonderten Drahtspule ist, daß die Schaltgeschwindigkeit der einzelnen Lichtschaltelemente durch die entstehende Verlustleistung im Spulendraht auf 2 kHz Zeilenfrequenz begrenzt ist.Due to the separate process for producing the coil magneto-optical light switching elements are expensive in the manufacture and the control electronics for generation the high currents required is relatively expensive. A Another disadvantage of using a separate wire coil is that the switching speed of each Light switching elements due to the resulting power loss is limited to 2 kHz line frequency in the coil wire.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte magneto-optische Lichtschaltelement derart zu verbessern, daß dessen wachstumsinduzierte uniaxiale Anisotropie K u , die das Schaltverhalten des magneto-optischen Lichtschaltelementes bestimmt, bei gleichbleibender Faradaydrehung erniedrigt wird und dessen Herstellung stark vereinfacht ist.The invention has for its object to improve the above-mentioned magneto-optical light switching element in such a way that its growth-induced uniaxial anisotropy K u , which determines the switching behavior of the magneto-optical light switching element, is lowered while the Faraday rotation remains constant and its production is greatly simplified.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Boranteil der für die Züchtung der epitaxialen Schicht eingesetzten Schmelze im Bereich von 12,7 bis 25 Atom% (Kationenanteil) liegt und daß die Spule als integrierte Spule ausgebildet ist.This object is achieved in that the Boron content for growing the epitaxial layer melt used in the range of 12.7 to 25 atom% (Cation component) lies and that the coil as an integrated Coil is formed.
Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen magneto- optischen Lichtschaltelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß auf einem magnetisch nicht geordneten, optisch transparenten, in (111)-Richtung orientierten Granatsubstrat eine epitaxiale Schicht aus einer Schmelze auf Basis von Wismut-substituiertem Seltenerdmetall-Eisen-Granat mit einem Boranteil im Bereich von 12,7 bis 25 Atom% (Kationenanteil) abgeschieden wird, daß aus der epitaxialen Schicht mit Hilfe eines photolithographischen Prozesses Inseln gebildet werden, daß auf jeder Insel ein integrierter elektrischer Heizwiderstand angebracht wird und daß anschließend auf dem Substrat eine die Inseln umschließende integrierte Spule ausgebildet wird. A method for producing such a magneto- optical light switching element is characterized in that that on a magnetically disordered, optical transparent garnet substrate oriented in the (111) direction an epitaxial layer from a melt based of bismuth-substituted rare earth metal iron garnet with a boron content in the range of 12.7 to 25 atomic% (cation content) that is deposited from the epitaxial Layer using a photolithographic process Islands are formed that are integrated on each island electrical heating resistor is attached and that then, on the substrate, enclosing the islands integrated coil is formed.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß epitaxiale magneto-optische Schichten in einem thermo-magnetischen Schaltprozeß mit geringeren Magnetschaltfeldern zu schalten sind, wenn die wachstumsinduzierte uniaxiale Anisotropie erniedrigt wird und daß die relativ hohen Werte für die wachstumsinduzierte magnetische Anisotropie K u , die die bekannten magneto-optischen, in (111)-Richtung orientierten Epitaxieschichten aus Wismut-substituiertem Seltenerdmetall-Eisen-Granat aufweisen, wesentlich erniedrigt werden können, wenn der Schmelze, aus der die epitaxiale magnetische Granatschicht gezüchtet wird, als Flußmittel neben Bleioxid Boroxid zugesetzt wird, wobei der Borgehalt jedoch gegenüber dem Borgehalt der bekannten Schmelzen erhöht ist. Die Werte für die Faradaydrehung und die Kompensationstemperatur sind bei den erfindungsgemäßen magneto-optischen Schichten trotz des erhöhten Boranteils in der gleichen Größe wie bei den bekannten, aus Schmelzen mit niedrigerem Boranteil gezüchteten Schichten.The invention makes use of the knowledge that epitaxial magneto-optical layers are to be switched in a thermo-magnetic switching process with lower magnetic switching fields when the growth-induced uniaxial anisotropy is reduced and that the relatively high values for the growth-induced magnetic anisotropy K u , which known magneto-optical epitaxial layers of bismuth-substituted rare earth metal iron garnet, oriented in the (111) direction, can be significantly reduced if the melt from which the epitaxial magnetic garnet layer is grown is added as a flux in addition to lead oxide boron oxide, however, the boron content is increased compared to the boron content of the known melts. The values for the Faraday rotation and the compensation temperature are in the magneto-optical layers according to the invention despite the increased boron content in the same size as in the known layers grown from melts with a lower boron content.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß aufgrund der verringerten uniaxialen Anisotropie des magneto-optischen Granatmaterials unter Beibehaltung der bekannten hohen Werte für die Faradaydrehung ein relativ schwaches äußeres Magnetschaltfeld ausreicht, um die Kraft, die die Magnetisierung an ihre Vorzugsrichtung bindet, bei einem thermomagnetischen Schaltprozeß zu überwinden. Ein solches Magnetschaltfeld kann von einer integrierten, durch einen photolithographischen Prozeß auf das Substrat aufgebrachten Spule erzeugt werden. Durch die Möglichkeit, eine integrierte Spule anwenden zu können, ergibt sich der insbesondere für eine Großserienfertigung erhebliche Vorteil, daß mindestens sechzig Zeilen mit jeweils mehr als 500 magneto-optischen Lichtschaltelementen gleichzeitig mit einer Spule versehen werden können, was die Produktionskosten erheblich erniedrigt. The advantages achieved with the invention are in particular in that due to the reduced uniaxial Anisotropy of the magneto-optical garnet material below Maintaining the known high values for the Faraday rotation a relatively weak external magnetic switching field sufficient to apply the force that magnetization attaches to their Preferred direction binds with a thermomagnetic Switching process to overcome. Such a magnetic switching field can be from an integrated, through a photolithographic Process created coil applied to the substrate will. Due to the possibility to apply an integrated coil to be able to do this results in particular for one Large-scale production has considerable advantage that at least sixty lines, each with more than 500 magneto-optical Provide light switching elements with a coil at the same time can be, which significantly lowers the production costs.
Außerdem kann wegen der günstigeren Geometrie (geringere Abstände zu den Lichtschaltelementen) einer integrierten Dünnschichtspule im Vergleich zu einer Drahtspule ein gewünschtes Magnetschaltfeld mit weniger als 50% des bei Betrieb einer Drahtspule erforderlichen Spulenstroms erzeugt werden; wegen der dadurch geringeren Verlustleistung einer integrierten Spule wird die unerwünschte Erwärmung der Lichtschaltelemente vermindert.In addition, because of the cheaper geometry (lower Distances to the light switching elements) of an integrated Thin film coil compared to a wire coil a desired one Magnetic switching field with less than 50% of the operating generated a coil current required will; because of the lower power loss integrated coil will the undesirable heating of the Light switching elements reduced.
Wegen der verringerten wachstumsinduzierten magnetischen Anisotropie ergibt sich der weitere Vorteil einer zusätzlichen Erniedrigung des Spulenstroms.Because of the reduced growth-induced magnetic Anisotropy gives the further advantage of an additional one Decreasing the coil current.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und die Erfindung wird in ihrer Wirkungsweise erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is shown in the drawing described and the invention is in its operation explained. Show it:
Fig. 1a Schnitt und Draufsicht auf ein Substrat mit Lichtschaltelementen mit externer Drahtspule (Stand der Technik). Fig. 1a section and top view of a substrate with light switching elements with an external wire coil (prior art).
Fig. 1b Schnitt und Draufsicht auf ein Substrat mit Lichtschaltelementen mit integrierter Dünnschichtspule gemäß der Erfindung. FIG. 1b a section and top view of a substrate with light switching elements with integrated thin-film coil according to the invention.
Fig. 2 Graphische Darstellung der Heizleistung in Abhängigkeit von Strom in einer externen Drahtspule Fig. 2 graphical representation of the heating power as a function of current in an external wire coil
- a) für ein magneto-optisches Lichtschaltelement gemäß der Erfindung unda) for a magneto-optical light switching element according to the Invention and
- b) für ein magneto-optisches Lichtschaltelement nach dem Stand der Technik.b) for a magneto-optical light switching element after State of the art.
Wismut-substituierte Gadolinium-Eisen-Granat-Schichten wurden auf in (111)-Richtung orientierten Calcium-Magnesium- Zirkonium-substituierten Gadolinium-Gallium-Granat- Substraten (GGCMZ) einer Gitterkonstante a S = 1,250 nm durch isotherme Epitaxie auf horizontal gehalterten, rotierenden Substraten abgeschieden. Nach mehrstündiger Homogenisierung der Schmelze, aus der die epitaxialen Schichten gezüchtet werden sollen, wird die Temperatur der Schmelze auf Wachstumstemperatur abgesenkt und das Substrat wird, befestigt an einem Platinhalter, in horizontaler Position 10 mm oberhalb der Schmelze in Warteposition gebracht. Nach etwa 3 Minuten, wenn das Substrat die erforderliche Wachstumstemperatur erreicht hat, wird das Substrat 30 bis 40 nm in die Schmelze eingetaucht und sofort gedreht, wobei die Drehrichtung alle 2,5 s gewechselt wird. Um den Wachstumsprozeß zu beenden, wird das Substrat aus der Schmelze herausgezogen und anhaftende Reste der Schmelze werden durch schnelle Rotation weitgehend abgeschleudert. Es wurden auf einem ≈0,5 mm dicken Substrat epitaxiale Schichten einer Schichtdicke von 4,7 µm abgeschieden. In der nachfolgenden Tabelle I ist die Zusammensetzung einer für dieses Ausführungsbeispiel eingesetzten Schmelze angegeben mit dem Anteil an Kationen in Atom%. T S bezeichnet die Sättigungstemperatur.Bismuth-substituted gadolinium-iron-garnet layers were deposited on (111) -oriented calcium-magnesium-zirconium-substituted gadolinium-gallium-garnet substrates (GGCMZ) with a lattice constant a S = 1.250 nm by means of isothermal epitaxy on horizontally held rotating substrates deposited. After homogenization of the melt from which the epitaxial layers are to be grown for several hours, the temperature of the melt is lowered to the growth temperature and the substrate, fastened to a platinum holder, is brought into a waiting position in a horizontal position 10 mm above the melt. After about 3 minutes, when the substrate has reached the required growth temperature, the substrate is immersed in the melt for 30 to 40 nm and immediately rotated, the direction of rotation being changed every 2.5 s. In order to end the growth process, the substrate is pulled out of the melt and adhering remnants of the melt are largely thrown off by rapid rotation. Epitaxial layers with a layer thickness of 4.7 µm were deposited on a ≈0.5 mm thick substrate. Table I below shows the composition of a melt used for this exemplary embodiment, with the proportion of cations in atomic%. T S denotes the saturation temperature.
In Tabelle II sind die Zusammensetzung, Herstellungsparameter und Eigenschaften der gemäß der Schmelze aus Tabelle I gezüchteten Schicht angegeben (Schicht L′111), die mit den Werten für eine epitaxiale Wismut-substituierte Seltenerdmetall-Eisen-Granat-Schicht aus einer Schmelze mit einem Boranteil von 12,17 Atom% nach dem Stand der Technik (Schicht L111) verglichen wird. Beide Schichten wurden auf in (111)-Richtung orientierten (GGCMZ)-Substraten abgeschieden. Table II shows the composition, production parameters and properties of the layer grown according to the melt from Table I (layer L ′ 111 ), which corresponds to the values for an epitaxial bismuth-substituted rare earth metal-iron-garnet layer from a melt with a boron content of 12.17 atom% according to the prior art (layer L 111 ) is compared. Both layers were deposited on (111) -oriented (GGCMZ) substrates.
Aus den Werten der Tabelle II ist ersichtlich, daß z. B. die Werte für die Faradaydrehung und die Kompensationstemperatur nahezu gleich sind, obwohl Schmelzen mit unterschiedlichen Boroxid gehalten als Flußmittelanteil eingesetzt wurden. Anders verhält es sich mit den Werten für die wachstumsinduzierte uniaxiale Anisotropie K u : hier ist der Wert für die erfindungsgemäße Schicht wesentlich erniedrigt gegenüber dem Wert für die bekannte Schicht. From the values in Table II it can be seen that e.g. B. the values for the Faraday rotation and the compensation temperature are almost the same, although melts with different boron oxide were used as a flux component. The situation is different with the values for the growth-induced uniaxial anisotropy K u : here the value for the layer according to the invention is significantly lower than the value for the known layer.
In Fig. 1b ist ausschnittweise eine Lichtschaltzeile mit mehreren magneto-optischen Lichtschaltelementen auf einem magnetisch nicht geordneten (GGCMZ)-Granatsubstrat 3 im Schnitt und in Draufsicht dargestellt. Aus epitaxialen, wie oben beschrieben hergestellten Wismut-substituierten Seltenerdmetall-Eisen-Granatschichten einer Dicke von 4,7 µm wurden mittels eines photolithographischen Prozesses Inseln 1 einer Kantenlänge von ≈100 µm herausgeätzt, die von einer mäanderförmigen, in Dünnschichttechnik hergestellten Spule 5 einer Schichtdicke von ≈10 µm und einer Leiterbahnbreite von ≈50 µm umgeben sind. Auf den Inseln 1 sind ebenfalls in Dünnschichttechnik hergestellte Heizwiderstände 7 angebracht. Die Messung der Schaltparameter wurde an der wie in Fig. 1a im Ausschnitt dargestellten Lichtschaltzeile mit mehreren Lichtschaltelementen durchgeführt, für die das Magnetschaltfeld mit einer Drahtspule 9 von zwei Windungen erzeugt wurde.In Fig. 1b is a light switching line with a plurality of magneto-optical light switching elements on a magnetically non-ordered (GGCMZ) -Granatsubstrat 3 is partial in section and in plan view. Isles 1 with an edge length of ≈100 μm were etched out of epitaxial, bismuth-substituted rare earth metal-iron garnet layers with a thickness of 4.7 μm by means of a photolithographic process, the islands 1 with an edge length of ≈100 μm were etched out by a meandering coil 5 produced in thin layer technology ≈10 µm and a trace width of ≈50 µm are surrounded. On the islands 1 , heating resistors 7 , also manufactured using thin-film technology, are attached. The measurement of the switching parameters was carried out on the light switching line as shown in FIG. 1a with several light switching elements, for which the magnetic switching field was generated with a wire coil 9 of two turns.
In Fig. 2 ist das so gemessene Schaltverhalten für Lichtschaltelemente mit Schichten gemäß der Erfindung (L′111) und nach dem Stand der Technik (L111) entsprechend Tabelle II dargestellt in Form der Abhängigkeit der erforderlichen Heizleistung vom Strom in der Magnetspule. Beide Schichtmaterialien zeigen einen ausgeprägten Schwellwert des Stromes in der Spule. Unterhalb dieses Schwellwertes steigt die erforderliche Heizleistung stark an. Ein Betrieb der Lichtschaltelemente ist nur bei Strömen in der Spule oberhalb dieses Schwellwertes möglich, da bei einer größeren Heizleistung die Lebensdauer der Heizwiderstände deutlich absinkt. Aus Fig. 2 wird deutlich, daß der Schwellwert der Lichtschaltelemente mit der erfindungsgemäßen Schicht L′111 bei einem deutlich niedrigeren Wert für den Strom in der Spule liegt als für ein Lichtschaltelement mit der Schicht gemäß des Standes der Technik L111. Während für die Schicht L111 ein Spulenstrom von 13 A erforderlich ist, läßt sich das Lichtschaltelement mit der Schicht L′111 schon mit einem Spulenstrom von 3,5 A schalten. In Fig. 2, the switching behavior measured for light switching elements with layers according to the invention (L ' 111 ) and according to the prior art (L 111 ) according to Table II is shown in the form of the dependence of the required heating power on the current in the magnetic coil. Both layer materials show a pronounced threshold value of the current in the coil. The required heating output rises sharply below this threshold. Operation of the light switching elements is only possible with currents in the coil above this threshold value, since the service life of the heating resistors decreases significantly with a higher heating output. From Fig. 2 it is clear that the threshold value of the light switching elements with the layer L ' 111 according to the invention is at a significantly lower value for the current in the coil than for a light switching element with the layer according to the prior art L 111th While a coil current of 13 A is required for the layer L 111 , the light switching element with the layer L ' 111 can be switched with a coil current of 3.5 A.
Da der Strom quadratisch in die Verlustleistung der Spule eingeht, entsteht bei 3,5 A nur noch etwa 7% der Verlustleistung. Darüberhinaus ergibt sich durch die Reduzierung der erforderlichen Heizleistung eine größere Lebensdauer der integrierten Heizwiderstände.Because the current is square in the power dissipation of the coil is received, at 3.5 A only about 7% of the power loss arises. In addition, the reduction results the required heat output a longer service life of the integrated heating resistors.
Durch die Möglichkeit der Anwendung einer integrierten mäanderförmigen Dünnschichtspule ergibt sich eine beträchtliche Verminderung der Verlustleistung der Magnetspule im Vergleich zu einer aus Drahtwindungen aufgebauten Magnetspule. Bei einer Leiterbahnbreite von 50 µm, einer Dicke von 10 µm, einer Länge von 10,5 cm, einem spezifischen Widerstand von 3 · 10-6 Ω cm und einem Strom von 1,5 A entsteht in der integrierten Spule eine Verlustleistung von 1 W. Dieser Wert ist für eine Zeilenfrequenz von 3 kHz und eine Magnetpulsbreite von 2 × 12 µs für das Lichtschaltelement mit der Schicht L′111 berechnet. Bei Verwendung eines Lichtschaltelementes mit L111-Schicht wäre ein Strom von 5,6 A zum Schalten erforderlich; hierbei würde eine Verlustleistung von ≈14 W entstehen, die sich wärmetechnisch in einer integrierten Spule nicht beherrschen ließe und zur Zerstörung der Lichtschaltzeile führen würde. Aus diesem Grund können die bekannten Lichtschaltelemente auf Basis einer L111-Schicht nur mit einer externen Drahtspule geschaltet werden, die aufgrund des relativ großen Drahtquerschnittes einen geringen Widerstand besitzt und sich mit ausreichend kleiner Verlustleistung von ≈5 W betreiben läßt.The possibility of using an integrated meandering thin-film coil results in a considerable reduction in the power loss of the magnet coil compared to a magnet coil made up of wire windings. With a conductor width of 50 µm, a thickness of 10 µm, a length of 10.5 cm, a specific resistance of 3 · 10 -6 Ω cm and a current of 1.5 A, a power loss of 1 W occurs in the integrated coil This value is calculated for a line frequency of 3 kHz and a magnetic pulse width of 2 × 12 µs for the light switching element with the layer L ′ 111 . If a light switching element with an L 111 layer was used, a current of 5.6 A would be required for switching; this would result in a power loss of ≈14 W, which could not be controlled thermally in an integrated coil and would destroy the light switch line. For this reason, the known light switching elements based on an L 111 layer can only be switched with an external wire coil, which has a low resistance due to the relatively large wire cross-section and can be operated with a sufficiently small power loss of ≈5 W.
Claims (17)
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